Сварка труб из титановых сплавов

Когда говорят про сварку труб из титановых сплавов, многие сразу думают про аргон и высокую чистоту. Но это только верхушка айсберга. На деле, главная сложность часто не в самой технологии, а в понимании материала, с которым работаешь. Ошибки начинаются еще на этапе выбора присадки или оценки состояния кромки.

Титан — это не просто сталь

Работал с разными сплавами, ВТ1-0, ВТ6, ПТ-3В. Каждый ведет себя по-своему. Например, для труб из титановых сплавов, идущих под давление, часто берут ВТ1-0 из-за пластичности. Но если нужна прочность при высоких температурах, уже смотришь в сторону ВТ6 или даже ВТ8. И вот здесь многие попадают в ловушку: думают, что раз сварил ВТ1-0, то и с ВТ6 справишься по той же схеме. А потом удивляются, почему шов пошел трещинами. Все дело в фазовом составе, в количестве алюминия и ванадия. При быстром охлаждении могут формироваться хрупкие фазы.

Запомнил один случай на объекте. Привезли трубы, заявлен сплав ВТ1-0. По паспортам все чисто. Начали варить, а металл ведет себя странно, 'течет' не так, цвет побежалости не тот. Оказалось, партия была с повышенным содержанием железа — не брак, но для ответственного узла уже не годится. Пришлось все перепроверять и менять режимы. Поэтому теперь всегда требую не только сертификаты, но и по возможности выборочный анализ спектрометром. Особенно если работа связана с импортными материалами. Кстати, для надежных поставок сложных сплавов иногда обращаюсь к специализированным компаниям, которые глубоко в теме, например, ООО Шэньси Футайпу Металлические Материалы. У них на сайте https://www.ftpjs.ru видно, что они занимаются не просто продажей, а именно разработкой и переработкой титана, циркония, никеля. Это важно, потому что такой поставщик обычно лучше понимает, для каких целей и как будет использоваться его металл, и может дать грамотные рекомендации по свариваемости конкретной марки.

И еще момент по подготовке. Зачистка кромок — это святое. Но недостаточно просто пройтись щеткой из нержавейки. Нужно понимать, что титан активно сорбирует газы уже при 400-450°C. Поэтому если после механической обработки прошло несколько часов, а труба лежала не в чистой камере, то этот тонкий слой окислов и поглощенного азота нужно удалять химически или снимать уже в процессе сварки. Иначе гарантированно получишь пористость в корне шва.

Защитная атмосфера — это не только горелка

Все знают про необходимость заднего поддува. Но часто экономят на оснастке или контроле. Видел, как люди используют самодельные медные подкладки с дырками для аргона. Вроде работает. Но при сварке ответственных трубопроводов, особенно малого диаметра, где варишь встык, этого мало. Нужен полноценный дорн, который обеспечит равномерный поддув по всей окружности и не даст аргону 'сбежать' раньше времени. Иначе на выходе из шва получается обезуглероживание и серый, некрасивый, а главное — непрочный шов.

Контроль чистоты аргона — отдельная история. Баллон должен быть осушенным, с паспортом. Бывало, подключали, вроде все нормально, а шов получается с желтизной. Меняли редуктор, промывали магистрали — не помогало. В итоге оказывалось, что в баллоне была повышенная влажность. Теперь всегда ставим дополнительные осушители-фильтры прямо на линию подачи к горелке. Это особенно критично для сплавов с повышенным содержанием алюминия, они к этому очень чувствительны.

Расход газа — тоже не по шаблону. Для трубы на 57 мм с толщиной стенки 3 мм и для трубы на 325 мм с толщиной 12 мм режимы поддува будут разными. И зависит это не только от геометрии, но и от положения шва. При потолочной сварке расход, естественно, выше. Главный признак хорошей защиты — это серебристый или соломенно-желтый цвет шва и зоны термического влияния после остывания. Синий цвет — уже сигнал о недостаточной защите.

Тепловложение и деформации

Титан обладает низкой теплопроводностью. Это и плюс, и минус. Плюс — можно варить с меньшим тепловложением, чем сталь. Минус — тепло концентрируется в зоне сварки, что резко увеличивает риск перегрева и роста зерна. Поэтому техника сварки должна быть 'холодной', быстрой. Нельзя долго греть одну точку. Лучше использовать прерывистую сварку, давать остывать участкам. Особенно это важно при монтаже трубопроводных систем, где трубы уже закреплены и свободно 'играть' на деформации не могут.

Сталкивался с проблемой коробления после сварки секции из нескольких труб ВТ6. Сварили все по технологии, зафиксировали, но после снятия струбцин оказалось, что конструкцию 'повело'. Причина была в неправильной последовательности наложения швов. Пришлось разрабатывать технологическую карту сварки для всего узла, где строго расписывалось, в каком порядке варить стыки, чтобы остаточные напряжения компенсировали друг друга. Без такого подхода при сварке труб из титановых сплавов крупных узлов не обойтись.

И еще про подогрев. Его часто применяют для сталей, но для титана — осторожно! Предварительный подогрев выше 150-200°C для большинства сплавов не требуется и даже вреден, так как увеличивает время пребывания металла в опасном температурном интервале. Исключение — очень толстостенные изделия, но там уже нужен строгий термоконтроль по специальному режиму.

Контроль качества — что смотреть помимо ВИК и УЗК

Визуальный и ультразвуковой контроль — это стандарт. Но для титана часто этого недостаточно. Обязательна проверка на твердость в зоне термического влияния (ЗТВ). Резкий скачок твердости говорит о перегреве и образовании хрупких структур. Также хорошо 'ловит' проблемы цвет травителя. Есть такая старая, но эффективная методика — травление специальным реактивом. По цвету и структуре протравленной поверхности опытный специалист может определить и перегрев, и недостаточную защиту, и даже примерный химический состав сплава в шве.

Часто забывают про контроль корня шва изнутри трубы. Даже при идеальном заднем поддуве там могут быть мелкие непровары или подрезы, которые снаружи не видны. Для ответственных трубопроводов обязательно нужно делать эндоскопию или хотя бы иметь доступ для визуального осмотра. Один раз из-за такого скрытого дефекта при гидроиспытаниях лопнул шов. Хорошо, что давление наращивали постепенно, и все обошлось без последствий. С тех пор для критичных систем всегда закладываю в техпроцесс обязательный контроль внутренней поверхности первого (корневого) слоя.

И конечно, документация. На каждый шов — паспорт: марка основного металла, марка присадочной проволоки (например, от того же ООО Шэньси Футайпу, которое поставляет и прутки, и проволоку), номер баллона с аргоном, параметры режима (ток, напряжение, скорость), фамилия сварщика. Это не бюрократия, а необходимость. Если через год-два возникнет вопрос, всегда можно восстановить всю цепочку.

Практические нюансы и выводы

Работа с присадочной проволокой. Ее нужно хранить так же бережно, как и основной металл. Не в гараже на полке, а в термостате или хотя бы в сухом шкафу. Перед сваркой конец проволоки нужно откусывать — на нем уже есть окислы. И лучше использовать проволоку того же или близкого по свойствам сплава, что и труба. Нельзя, например, варить ВТ6 проволокой для ВТ1-0 — шов получится слабым звеном.

Про оборудование. Инверторный источник с хорошей динамикой и точной регулировкой — must have. Механические свойства шва титана сильно зависят от стабильности дуги. 'Прыгающая' дуга — гарантия непроваров и пор. Также очень помогает осциллятор для точного ведения дуги, особенно при сварке в труднодоступных местах.

В итоге, сварка труб из титановых сплавов — это дисциплина. Дисциплина в подготовке, в соблюдении технологии, в контроле. Здесь нет мелочей. Можно знать теорию назубок, но без сотен метров проваренного шва за спиной легко ошибиться. Главное — уважать материал, не пытаться упрощать процесс и всегда быть готовым к тому, что титан преподнесет какой-нибудь сюрприз. И тогда работа будет не только качественной, но и, если можно так сказать, красивой. А качественный шов на титановой трубе — это действительно красиво.